Skúška koeficientu lineárnej tepelnej rozťažnosti (CLTE/CTE)

Koeficient lineárnej tepelnej rozťažnosti (CLTE) opisuje zmenu dĺžky materiálu v závislosti od teploty. Rozlišuje sa medzi priemerným koeficientom lineárnej tepelnej rozťažnosti a fyzikálnym (diferenciálnym) koeficientom lineárnej tepelnej rozťažnosti. Priemerný koeficient lineárnej tepelnej rozťažnosti je definovaný ako sklon sečnice prechádzajúcej dvoma bodmi krivky tepelnej rozťažnosti. Fyzikálny (diferenciálny) koeficient lineárnej tepelnej rozťažnosti je sklon krivky rozťažnosti pri danej teplote. Preto zodpovedá prvej derivácii krivky tepelnej rozťažnosti vzhľadom na teplotu.

Tepelná rozťažnosť alebo kontrakcia nastáva, keď je materiál vystavený zmene teploty, a preto má za následok zmenu celkových rozmerov a iných fyzikálnych vlastností. Tento efekt je výraznejší v plynoch a kvapalinách, ale je zrejmý aj v pevných látkach. Mäkšie materiály, ako napríklad nevystužené polyméry, zažívajú väčšiu mieru zmeny rozmerov na stupeň zmeny teploty.

Pokiaľ ide o spracovanie polymérov, teplo je vždy súčasťou rovnice. Zvýšenie teploty akéhokoľvek polyméru alebo kompozitu môže viesť k významným zmenám rozmerov, deformácii súčiastok alebo vnútornému napätiu. Preto je pre konštruktérov dôležité pochopiť, akú tepelnú rozťažnosť materiál prejde počas obrábania.

Jedným z testov, ktoré inžinieri a dizajnéri používajú na meranie rozmerovej stálosti materiálu pod vplyvom tepla, je koeficient lineárnej tepelnej rozťažnosti. Spoločnosti kladú veľký dôraz na zabezpečenie bezkonkurenčných výsledkov s cieľom zabezpečiť optimálne rozmery a vlastnosti spracovaných polymérov a kompozitov.

Koeficient lineárnej tepelnej rozťažnosti sa vypočíta vydelením lineárnej rozťažnosti na jednotku dĺžky zmenou teploty. Pri uvádzaní priemerného koeficientu tepelnej rozťažnosti by sa mali uviesť teplotné rozsahy. V mnohých materiáloch sa koeficient lineárnej tepelnej rozťažnosti môže meniť so zmenou teploty. Nie je vždy lineárna, ale často sa za lineárnu predpokladá pri menej kritických aplikáciách alebo rýchlych odhadoch.

Tepelná rozťažnosť materiálov spôsobuje predčasné trhliny a napätia, ktoré môžu viesť k poruche súčiastok. Pochopenie tohto typu rozšírenia nie je len finančným problémom, ale pomáha aj pri určovaní typu materiálu z hľadiska kvality a funkčnosti. Je dôležité poznať rozmerové správanie obrábaných súčiastok vystavených teplotným zmenám. Taktiež určuje tepelné namáhanie, ktoré môže vzniknúť a spôsobiť poruchu, keď je pevný prvok zložený z rôznych materiálov vystavený teplote (najmä pri odhade účinného spájania materiálov alebo pri použití plastov s kovmi).

Najbežnejšie používané normy na meranie koeficientu lineárnej tepelnej rozťažnosti v plastoch sú:

• ASTM D696-16 Štandardná skúšobná metóda pre stanovenie koeficientu lineárnej tepelnej rozťažnosti plastov pomocou dilatometra z kremičitého skla pri teplote -30 stupňov až +30 stupňov
• ASTM E831-19 Štandardná skúšobná metóda pre lineárnu tepelnú rozťažnosť pevných materiálov termomechanickou analýzou
• ASTM E228-17 Štandardná skúšobná metóda pre lineárnu tepelnú rozťažnosť pevných materiálov pomocou dilatometra s tlačnou tyčou
• ISO 11359 Plasty - Termomechanická analýza (TMA)

Bežne používané metódy na určenie koeficientu lineárnej tepelnej rozťažnosti sú:

• Dilatometria: Technika, pri ktorej sa jeden rozmer látky pri zanedbateľnom zaťažení meria za riadeného teplotného programu v špecifikovanom atmosférickom prostredí, napríklad meraním rozťažnosti alebo kontrakcie.
• Interferometria: Je to diagnostická a výskumná technika, ktorá využíva jav interferencie medzi vlnami. Je pozorované, že keď sa dve alebo viac vĺn prekrývajú v bode priestoru, intenzita výslednej vlny v tomto bode sa môže líšiť od súčtu intenzít počiatočných vĺn.
• Termomechanická analýza: Technika používaná na určenie rozmerových zmien vzorky v závislosti od teploty, ako je teplota mäknutia, teplota skleného prechodu a koeficient lineárnej tepelnej rozťažnosti (CTE). Najbežnejšou aplikáciou tejto techniky je určenie CTE.

Skúška koeficientu lineárnej tepelnej rozťažnosti sa považuje za dôležitú z nasledujúcich dôvodov:

• Tepelná kompatibilita: Keď sa spoja dva materiály s rôznymi hodnotami CLTE (ako napríklad kov a plast), rozťahujú sa v dôsledku tepla rôznou rýchlosťou. To môže spôsobiť praskanie, deformáciu alebo delamináciu, najmä v kompozitoch alebo elektronike.
• Elektronika a polovodiče: Dosky plošných spojov (PCB), balenie integrovaných obvodov (IC) a spájkované spoje zahŕňajú rozťahovanie a sťahovanie materiálov. Nezhodný CLTE môže viesť k mechanickému namáhaniu a poruche počas tepelného cyklovania.
• Presné inžinierstvo: V leteckom priemysle, optických alebo mechanických systémoch s prísnymi toleranciami sú dôležité aj malé roztiahnutia. Dizajnéri si musia vybrať materiály s nízkymi alebo zodpovedajúcimi hodnotami CLTE, aby sa zachovala presnosť a zarovnanie.
• 3D tlač / plasty: V prípade dielov na báze polymérov môžu vysoké hodnoty CLTE viesť k deformácii počas chladenia, najmä v procesoch, ako je vstrekovanie plastov alebo 3D tlač.
• Budova a konštrukcia: Konštrukcie vystavené meniacim sa teplotám musia brať do úvahy rozťažnosť (napr. mosty s dilatačnými škárami). Nezohľadnenie CLTE môže viesť k prasklinám alebo vyvrtnutiam.

Naša organizácia, ktorá sa už roky snaží podporovať podniky zo všetkých sektorov širokou škálou testovacích, meracích, analytických a hodnotiacich štúdií, má silný personál, ktorý pozorne sleduje svetový vývoj v oblasti vedy a techniky a neustále sa zlepšuje. V tejto súvislosti sa podnikom poskytujú aj služby testovania koeficientu lineárnej tepelnej rozťažnosti (CLTE/CTE).